Worldlex Wiki composé organique de formule C6H10O5)nLa cellulose est un polysaccharide constitué d'une chaîne linéaire de plusieurs centaines à plusieurs milliers d' unités de D -glucose liées par des liaisons β(1→4) . Elle est un composant structural important des parois cellulaires des plantes vertes , de nombreuses algues et des oomycètes . Certaines espèces de bactéries la sécrètent pour former des biofilms . La cellulose est le polymère organique le plus abondant sur Terre. La fibre de coton contient 90 % de cellulose, le bois 40 à 50 % et le chanvre séché environ 57 %.
La cellulose est principalement utilisée pour la production de carton et de papier . En plus petites quantités, elle est transformée en une grande variété de produits dérivés tels que la cellophane et la rayonne . La conversion de la cellulose issue de cultures énergétiques en biocarburants, comme l'éthanol cellulosique, est en cours de développement en tant que source d'énergie renouvelable . La cellulose à usage industriel est principalement obtenue à partir de pâte de bois et de coton . De plus, la cellulose présente une forte affinité pour certains liquides organiques, notamment le formamide et le DMSO , et les amines à chaîne courte ( méthylamine , éthylamine ) figurent parmi les composés reconnus comme agents de gonflement très efficaces
Certains animaux, notamment les ruminants et les termites , peuvent digérer la cellulose grâce à des micro-organismes symbiotiques vivant dans leur tube digestif, comme le genre Trichonympha . Chez l'humain , la cellulose est un constituant non digestible des fibres alimentaires insolubles ; elle agit comme agent de lest hydrophile pour les selles et peut faciliter la défécation .
Anselme Payen , qui l'a isolée de matières végétales et a déterminé sa formule chimique. La cellulose a été utilisée pour produire le premier polymère thermoplastique commercialisé avec succès , le celluloïd , par la société Hyatt Manufacturing Company en 1870. La production de rayonne (« soie artificielle ») à partir de cellulose a débuté dans les années 1890 et la cellophane a été inventée en 1912. Hermann Staudinger a déterminé la structure polymère de la cellulose en 1920. Le composé a été synthétisé chimiquement pour la première fois (sans utilisation d' enzymes d'origine biologique ) en 1992 par Kobayashi et Shoda.
Structure et propriétés
La cellulose est inodore, sans goût, hydrophile ( angle de contact de 20 à 30 degrés) , insoluble dans l'eau et la plupart des solvants organiques , chirale et biodégradable . Elle fond à 467 °C lors de tests de pulsation réalisés par Dauenhauer et al. (2016) . Elle peut être décomposée chimiquement en ses unités de glucose par traitement avec des acides minéraux concentrés à haute température
La cellulose est dérivée d' unités de D -glucose , qui se condensent par des liaisons glycosidiques β(1→4) . Ce motif de liaison contraste avec celui des liaisons glycosidiques α(1→4) présentes dans l'amidon et le glycogène . La cellulose est un polymère à chaîne linéaire. Contrairement à l'amidon, elle ne présente ni enroulement ni ramification et adopte une conformation allongée et relativement rigide, en forme de bâtonnet, grâce à la conformation équatoriale des résidus de glucose. Les nombreux groupes hydroxyle du glucose d'une chaîne forment des liaisons hydrogène avec les atomes d'oxygène de la même chaîne ou d'une chaîne voisine, maintenant ainsi les chaînes fermement liées et formant des microfibrilles à haute résistance à la traction . Cette structure confère une grande résistance à la traction aux parois cellulaires , où les microfibrilles de cellulose sont imbriquées dans une matrice polysaccharidique . La haute résistance à la traction des tiges de plantes et du bois d'arbres provient également de l'agencement des fibres de cellulose intimement distribuées dans la matrice de lignine . Le rôle mécanique des fibres de cellulose dans la matrice du bois, responsable de sa grande résistance structurelle, peut être comparé à celui des barres d'armature dans le béton . La lignine joue ici le rôle de la pâte de ciment durcie, agissant comme un liant entre les fibres de cellulose. Les propriétés mécaniques de la cellulose dans la paroi cellulaire primaire des plantes sont corrélées à la croissance et à l'expansion des cellules végétales . Les techniques de microscopie à fluorescence sur cellules vivantes sont prometteuses pour l'étude du rôle de la cellulose dans la croissance des cellules végétales
Comparée à l'amidon, la cellulose est également beaucoup plus cristalline . Alors que l'amidon subit une transition cristalline- amorphe lorsqu'il est chauffé au-delà de 60-70 °C dans l'eau (comme lors de la cuisson), la cellulose nécessite une température de 320 °C et une pression de 25 MPa pour devenir amorphe dans l'eau.
Plusieurs types de cellulose sont connus. Ces formes se distinguent par la localisation des liaisons hydrogène entre et au sein des chaînes. La cellulose naturelle est la cellulose I, de structure Iα et Iβ . La cellulose produite par les bactéries et les algues est riche en Iα , tandis que celle des plantes supérieures est principalement constituée de Iβ . La cellulose des fibres de cellulose régénérée est la cellulose II. La conversion de la cellulose I en cellulose II est irréversible, ce qui suggère que la cellulose I est métastable et la cellulose II stable. Différents traitements chimiques permettent de produire les structures de cellulose III et IV.
De nombreuses propriétés de la cellulose dépendent de la longueur de sa chaîne, ou degré de polymérisation , c'est-à-dire du nombre d'unités de glucose qui constituent une molécule de polymère. La cellulose issue de la pâte de bois présente généralement des chaînes de 300 à 1 700 unités ; celles du coton et d'autres fibres végétales, ainsi que de la cellulose bactérienne, varient de 800 à 10 000 unités. Les molécules à très courte chaîne, résultant de la dégradation de la cellulose, sont appelées cellodextrines ; contrairement à la cellulose à longue chaîne, les cellodextrines sont généralement solubles dans l'eau et les solvants organiques.
La formule chimique de la cellulose est (C 6 H 10 O 5 ) n où n est le degré de polymérisation et représente le nombre de groupes glucose.
La cellulose d'origine végétale se trouve généralement en mélange avec de l'hémicellulose , de la lignine , de la pectine et d'autres substances, tandis que la cellulose bactérienne est relativement pure, possède une teneur en eau beaucoup plus élevée et une résistance à la traction supérieure en raison de la longueur de ses chaînes polymères.
La cellulose est constituée de fibrilles présentant des régions cristallines et amorphes . Ces fibrilles peuvent être individualisées par traitement mécanique de la pâte de cellulose, souvent assisté par une oxydation chimique ou un traitement enzymatique , ce qui permet d'obtenir des nanofibrilles de cellulose semi-flexibles d'une longueur généralement comprise entre 200 nm et 1 μm, selon l'intensité du traitement. La pâte de cellulose peut également être traitée avec un acide fort pour hydrolyser les régions amorphes des fibrilles, produisant ainsi de courts nanocristaux de cellulose rigides de quelques centaines de nm de longueur. Ces nanocelluloses présentent un grand intérêt technologique en raison de leur auto-assemblage en cristaux liquides cholestériques , de la production d' hydrogels ou d'aérogels , de leur utilisation dans des nanocomposites aux propriétés thermiques et mécaniques supérieures, et de leur utilisation comme stabilisants de Pickering pour les émulsions .
Traitement
Biosynthèse
Chez les plantes, la cellulose est synthétisée au niveau de la membrane plasmique par les complexes terminaux en rosette (CTR). Les CTR sont des structures protéiques hexamériques , d'environ 25 nm de diamètre, qui contiennent les enzymes cellulose synthases , lesquelles synthétisent les chaînes individuelles de cellulose. Chaque CTR flotte dans la membrane plasmique de la cellule et « tisse » une microfibrille dans la paroi cellulaire .
Les RTC contiennent au moins trois cellulose synthases différentes , codées par les gènes CesA ( Ces pour « cellulose synthase »), dans une stœchiométrie inconnue . Des ensembles distincts de gènes CesA sont impliqués dans la biosynthèse des parois cellulaires primaire et secondaire. On connaît environ sept sous-familles dans la superfamille CesA végétale , dont certaines incluent les enzymes Csl (de type cellulose synthase), plus cryptiques et provisoirement nommées. Ces cellulose synthases utilisent l'UDP-glucose pour former la cellulose liée en β(1→4).
La cellulose bactérienne est produite grâce à la même famille de protéines, bien que le gène soit souvent appelé BcsA pour « cellulose synthase bactérienne » ou CelA pour « cellulose » . En réalité, les plantes ont acquis CesA lors de l’endosymbiose qui a donné naissance aux chloroplastes . Toutes les cellulose synthases connues appartiennent à la famille des glycosyltransférases 2 (GT2) .
La synthèse de la cellulose nécessite l'initiation et l'élongation de la chaîne, deux processus distincts. La cellulose synthase ( CesA ) initie la polymérisation de la cellulose à l'aide d'un précurseur stéroïdien , le sitostérol -β- glucose , et d'UDP-glucose. Elle utilise ensuite des précurseurs d'UDP -D-glucose pour allonger la chaîne de cellulose en croissance. Une cellulase peut intervenir pour cliver le précurseur de la chaîne mature.
La cellulose est également synthétisée par les animaux tuniciers , notamment dans les tests des ascidies (où la cellulose était historiquement appelée « tunicine »).
Dégradation (cellulolyse)
La cellulolyse est le processus de dégradation de la cellulose en polysaccharides plus petits appelés cellodextrines ou complètement en unités de glucose ; il s’agit d’une réaction d’hydrolyse . Du fait de la forte affinité des molécules de cellulose entre elles, la cellulolyse est relativement difficile comparée à la dégradation d’autres polysaccharides . Cependant, ce processus peut être considérablement accéléré dans un solvant approprié , par exemple un liquide ionique .
La plupart des mammifères ont une capacité limitée à digérer les fibres alimentaires telles que la cellulose. Certains ruminants, comme les vaches et les moutons, abritent des bactéries anaérobies symbiotiques (telles que Cellulomonas et Ruminococcus spp. ) dans leur flore ruminale . Ces bactéries produisent des enzymes appelées cellulases qui hydrolysent la cellulose. Les produits de cette dégradation sont ensuite utilisés par les bactéries pour leur prolifération . La biomasse bactérienne est ensuite digérée par le ruminant dans son système digestif ( estomac et intestin grêle ). Les chevaux utilisent la cellulose de leur alimentation par fermentation dans leur gros intestin . Certains termites abritent dans leur gros intestin des protozoaires flagellés produisant ces enzymes, tandis que d'autres abritent des bactéries ou peuvent produire de la cellulase
Les enzymes utilisées pour cliver la liaison glycosidique de la cellulose sont des glycoside hydrolases, notamment des cellulases endo-actives et des glucosidases exo-actives . Ces enzymes sont généralement sécrétées au sein de complexes multienzymatiques pouvant inclure des dockerines et des modules de liaison aux glucides .
Décomposition (thermolyse)
Les polymères de cellulose semi-cristalline réagissent aux températures de pyrolyse (350–600 °C) en quelques secondes ; cette transformation se déroule par une transition solide-liquide-vapeur, la phase liquide (appelée cellulose liquide intermédiaire ou cellulose fondue ) n’existant que pendant une fraction de seconde. Le clivage des liaisons glycosidiques produit de courtes chaînes de cellulose composées de deux à sept monomères, constituant ainsi la phase fondue. Le dégagement gazeux de la cellulose liquide intermédiaire produit des aérosols , composés d’anhydro-oligomères à chaîne courte dérivés de la phase fondue.
La décomposition continue de la cellulose fondue produit des composés volatils, notamment du lévoglucosane , des furanes , des pyranes , des composés oxygénés légers et des gaz, par le biais de réactions primaires. Dans les échantillons de cellulose épais, les composés volatils tels que le lévoglucosane subissent des « réactions secondaires » pour former des produits volatils, notamment des pyranes et des composés oxygénés légers tels que le glycolaldéhyde .
Hémicellulose
Cellulose régénérée
La cellulose est soluble dans plusieurs types de milieux, dont certains sont à la base de technologies commerciales. Ces processus de dissolution sont réversibles et sont utilisés dans la production de celluloses régénérées (telles que la viscose et la cellophane ) à partir de pâte à dissoudre .
Le sulfure de carbone en présence d'alcali est l'agent solubilisant le plus important . Parmi les autres agents, on peut citer le réactif de Schweizer , l' oxyde de N -méthylmorpholine et le chlorure de lithium dans le diméthylacétamide . En général, ces agents modifient la cellulose, la rendant soluble. Ils sont ensuite éliminés simultanément à la formation des fibres. La cellulose est également soluble dans de nombreux liquides ioniques .
L'histoire de la cellulose régénérée commence souvent avec George Audemars, qui fabriqua les premières fibres de nitrocellulose régénérée en 1855 Bien que douces et résistantes, semblables à la soie, ces fibres présentaient l'inconvénient d'être hautement inflammables. Hilaire de Chardonnet perfectionna la production de fibres de nitrocellulose, mais son procédé de fabrication était relativement peu rentable . En 1890, L.H. Despeissis inventa le procédé au cuprammonium , qui utilise une solution de cuprammonium pour solubiliser la cellulose ; cette méthode est encore employée aujourd'hui pour la production de soie artificielle . En 1891, on découvrit que le traitement de la cellulose avec un alcali et du sulfure de carbone produisait un dérivé soluble de la cellulose, la viscose . Ce procédé, breveté par les fondateurs de la Viscose Development Company, est la méthode la plus répandue pour la fabrication de produits en cellulose régénérée. Courtaulds acquit les brevets de ce procédé en 1904, ce qui entraîna une forte croissance de la production de fibres de viscose. En 1931, l'expiration des brevets du procédé de fabrication de la viscose permit son adoption à l'échelle mondiale. La production mondiale de fibres de cellulose régénérée atteignit un pic de 3 856 000 tonnes en 1973.
La cellulose régénérée peut être utilisée pour fabriquer une grande variété de produits. Bien que sa première application ait concerné les textiles d'habillement , cette classe de matériaux est également utilisée dans la production de dispositifs médicaux jetables ainsi que dans la fabrication de membranes artificielles .
Esters et éthers de cellulose
Les groupes hydroxyle (−OH) de la cellulose peuvent réagir partiellement ou totalement avec divers réactifs pour donner des dérivés aux propriétés intéressantes, principalement des esters et des éthers de cellulose (−OR). En principe, bien que cela ne soit pas toujours le cas dans la pratique industrielle actuelle, les polymères cellulosiques sont des ressources renouvelables.
Les dérivés d'esters comprennent :
| ester de cellulose | Réactif | Exemple | Réactif | Groupe R |
|---|---|---|---|---|
| esters organiques | Acides organiques | Acétate de cellulose | Acide acétique et anhydride acétique | H ou −(C=O)CH 3 |
| Triacétate de cellulose | Acide acétique et anhydride acétique | −(C=O)CH 3 | ||
| propionate de cellulose | acide propionique | H ou −(C=O ) CH₂CH₃ | ||
| Acétate propionate de cellulose (CAP) | Acide acétique et acide propanoïque | H ou −(C=O)CH3 ou − ( C=O) CH2CH3 | ||
| Acétate-butyrate de cellulose (CAB) | Acide acétique et acide butyrique | H ou −(C=O)CH3 ou − ( C= O ) CH2CH2CH3 | ||
| esters inorganiques | Acides inorganiques | Nitrocellulose (nitrate de cellulose) | L'acide nitrique ou un autre agent nitrant puissant | H ou −NO 2 |
| sulfate de cellulose | L'acide sulfurique ou un autre agent sulfatant puissant | H ou −SO 3 H |
L'acétate de cellulose et le triacétate de cellulose sont des matériaux filmogènes et fibreux qui trouvent de nombreuses applications. La nitrocellulose, initialement utilisée comme explosif, fut l'un des premiers matériaux filmogènes. Plastifiée avec du camphre , elle donne du celluloïd .
Les dérivés de l'éther de cellulose comprennent :
| éthers de cellulose | Réactif | Exemple | Réactif | Groupe R = H ou | solubilité dans l'eau | Application | Numéro E |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Alkyle | halogénoalcanes | Méthylcellulose | Chlorométhane | −CH 3 | Soluble dans l'eau à froid/à chaud | E461 | |
| Éthylcellulose (EC) | Chloroéthane | −CH₂CH₃ | Insoluble dans l'eau | Un thermoplastique commercial utilisé dans les revêtements, les encres, les liants et les comprimés de médicaments à libération contrôlée, également utilisé dans la production d'oléogels et de bioplastiques | E462 | ||
| Éthylméthylcellulose | Chlorométhane et chloroéthane | −CH3 ou −CH2CH3 | E465 | ||||
| Hydroxyalkyl | époxydes | Hydroxyéthylcellulose | oxyde d'éthylène | −CH₂CH₂OH | soluble dans l'eau froide/chaude | Agent gélifiant et épaississant | |
| Hydroxypropylcellulose (HPC) | oxyde de propylène | −CH₂CH ( OH) CH₃ | soluble dans l'eau froide | propriétés de filmage, propriétés de revêtement, produits pharmaceutiques, restauration du patrimoine culturel, applications électroniques, secteur cosmétique | E463 | ||
| Hydroxyéthylméthylcellulose | Chlorométhane et oxyde d'éthylène | −CH₃ ou −CH₂CH₂OH | soluble dans l'eau froide | Production de films de cellulose | |||
| Hydroxypropylméthylcellulose (HPMC) | Chlorométhane et oxyde de propylène | −CH3 ou −CH2CH ( OH ) CH3 | soluble dans l'eau froide | Modificateur de viscosité, agent gélifiant, moussant et liant | E464 | ||
| Éthylhydroxyéthylcellulose | Chloroéthane et oxyde d'éthylène | −CH₂CH₃ ou −CH₂CH₂OH | E467 | ||||
| Carboxyalkyl | Acides carboxyliques halogénés | Carboxyméthylcellulose (CMC) | acide chloroacétique | −CH₂COOH | soluble dans l'eau à froid/à chaud | Souvent utilisé sous sa forme de sel de sodium , la carboxyméthylcellulose sodique (NaCMC) | E466 |
La carboxyméthylcellulose sodique peut être réticulée pour donner la croscarmellose sodique (E468), utilisée comme désintégrant dans les formulations pharmaceutiques. De plus, la fixation covalente de groupements thiol sur des éthers de cellulose tels que la carboxyméthylcellulose sodique, l'éthylcellulose ou l'hydroxyéthylcellulose permet de leur conférer des propriétés mucoadhésives et d'amélioration de la perméation. Les dérivés de cellulose thiolés (voir thiomères ) présentent également une forte affinité pour les ions métalliques.
applications commerciales
- Produits en papier : La cellulose est le principal constituant du papier , du carton et du papier cartonné . Papier isolant électrique : La cellulose est utilisée sous diverses formes comme isolant dans les transformateurs, les câbles et autres équipements électriques.
- Fibres : La cellulose est le principal composant des textiles . Le coton et les fibres synthétiques (nylons) représentent chacun environ 40 % du marché en volume. Les autres fibres végétales (jute, sisal, chanvre) représentent environ 20 % du marché. La rayonne , la cellophane et les autres fibres de cellulose régénérée ne représentent qu’une petite partie (5 %).La cellulose microcristalline ( E460i ) et la cellulose en poudre (E460ii) sont utilisées comme excipients dans les comprimés médicamenteux De nombreux dérivés solubles de la cellulose, référencés E461 à E469, sont utilisés comme émulsifiants, épaississants et stabilisants dans les aliments transformés. La poudre de cellulose est, par exemple, utilisée dans le fromage fondu pour éviter l’agglomération. La cellulose est naturellement présente dans certains aliments et est un additif dans les aliments transformés ; elle apporte une composante indigeste utilisée pour la texture et le volume, et peut potentiellement faciliter le transit intestinal .
- Matériau de construction : La polymérisation de la cellulose par liaisons hydroxyles dans l’eau produit un matériau pulvérisable et malléable, offrant une alternative aux plastiques et aux résines. Ce matériau recyclable peut être rendu résistant à l’eau et au feu. Il présente une résistance suffisante pour être utilisé comme matériau de construction. L’isolant cellulosique fabriqué à partir de papier recyclé gagne en popularité comme matériau écologique pour l’isolation des bâtiments . Il peut être traité à l’acide borique comme retardateur de flamme .cellophane , un film fin et transparent. Elle constitue la matière première du celluloïd utilisé pour les films photographiques et cinématographiques jusqu’au milieu des années 1930. La cellulose sert à fabriquer des adhésifs et des liants hydrosolubles tels que la méthylcellulose et la carboxyméthylcellulose , utilisés dans la colle à papier peint . Elle est également employée pour fabriquer des éponges hydrophiles et très absorbantes . Enfin, la cellulose est la matière première de la nitrocellulose (nitrate de cellulose), utilisée dans la poudre sans fumée .la cellulose microcristalline (MCC), présentent l'avantage de retenir l'eau, d'être un stabilisateur et un agent épaississant , et de renforcer les comprimés de médicaments.
Aspirant
Cultures énergétiques :
combustible des cultures énergétiques non alimentaires est la cellulose, suivie de la lignine . Ces cultures produisent plus d'énergie utilisable que les cultures énergétiques alimentaires (riches en amidon ), mais elles restent en concurrence avec les cultures vivrières pour les terres agricoles et les ressources en eau. Parmi les cultures énergétiques non alimentaires typiques, on trouve le chanvre industriel , le panic érigé , le miscanthus , le saule ( Salix ) et le peuplier ( Populus ). Une souche de la bactérie Clostridium présente dans les excréments de zèbre peut convertir presque toutes les formes de cellulose en butanol .Une autre application possible est celle de répulsif contre les insectes .
Génération de fumier
La cellulose a été extraite de bouse de vache en utilisant un filage sous pression à partir d'un récipient horizontal capable de structurer des nanofibres à petite structure.